导读：硅光电池特性研究，光电池是一种光电转换元件，光电池的种类很多，其中最受重视、应用最广的是硅光电池，硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等，通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件，3．掌握硅光电池的工作原理及负载特性，THKGD-1型硅光电池特性实验仪硅光电池特性研究 光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。所以，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。具有十分重要的意义。 [实验目的] 1．掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。 2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。 3．掌握硅光电池的工作原理及负载特性。 [实验仪器] THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。 [实验原理] 1．引言 目前半导体光电探测器在数码摄像p光通信p太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理p光电效应理论和光伏电池产生机理。THKGD-1型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。利用它可以进行以下实验内容： 1) 硅光电池输出短路时光电流与输入光信号关系。 2) 硅光电池输出开路时产生光伏电压与输入光信号关系。 3) 硅光电池的频率响应。 4) 硅光电池输出功率与负载的关系。 2．PN结的形成及单向导电性 采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。如图39-1所示，
代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电；?代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），即P区的空穴浓度远远高于N区，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。 形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电。而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。 正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，成为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图39-1所示。由P区向N区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由N区向P区扩散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。 空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。 扩散和漂移是相互联系的，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。最后，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，P区的空穴（多数载流子）向右扩散的数量与N区的空穴（少数载流子）向左漂移的数量相等；对自由电子也是这样。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。 上面讨论的是PN结在没有外加电压的情况，这时半导体中的扩散和漂移处于动态平衡。下面讨论在PN结上加外部电压的情况。 若在PN结上加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN结处于导通状态。PN结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P区流向N区的电流）愈大，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。 若在PN结上加反向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区，P区中的自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成反向电流（由N区流向P区的电流）。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高，可以认为PN结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。又因为少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。 由以上分析可知，PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。
正偏 图39-1
半导体PN结在零偏p负偏p正偏下的耗尽区 图39-1是半导体PN结在零偏p负偏p正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。 3. LED的工作原理 当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长λp可由下式确定：
（39-1） 式(39-1)中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在25～40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定：
（39-2） 式(39-2)中，η为发光效率，Ep为光子能量，e为电子电荷常数。 输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。系统采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图39-2所示。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流叠加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图39-3所示，变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。
图39-2 发送光的设定、驱动和调制电路框图
LED发光二极管的正弦信号调制原理 4．硅光电池的工作原理 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。 光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反偏电压与结内电场方向一致，当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 光电池的基本结构如图39-4所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。 当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是 eVkTI?Is(e??eV???1)?Is?exp???1???kT??
（39-3） 式(39-3)中I为流过二极管的总电流,Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分
别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一
图39-4 光电池结构示意图 光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（39-4）确定：
I?Is(eeVkT??eV???1)?Ip?Is?exp?
（39?4）??1?
kT????此式表示硅光电池的伏安特性。 式（39-4）中I为流过硅光电池的总电流,Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip+Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。 比较（39-3）式和（39-4）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。 光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系：
式（39-5）中R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λc=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。 图39-5是光电池光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流Is。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。 5．硅光电池的负载特性 光电池作为电池使用如图39-6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的伏安特性。
光电池光电信号接收框图
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浙江理工大学学报 ,第 22 卷 ,第 3 期 , 2005 年 9 月 Journal of Zhejiang Sci2Tech University Vol . 22, No. 3, Sep t . 2005文章编号 : 1 ( 2005 ) 03 2 光电探测微信号放大器设计霍戌文 , 李 　 伟, 李　 进 ,陈 　 科(浙江理工大学院信息电子学院 , 杭州 　310018 )　　 摘　 要 : 针对光电检测中对微弱信号放大而带来的信噪比和稳定性问题 ,设计了一种低噪声光电信号放大电 路 ,它具有电压 、 电流滤波和相位补偿功能 。同时分析了电路的频率特性和噪声特性 , 给出了电路参数选择方法及 电路稳定性检验办法 。 关键词 : 光电检测 ; 信噪比 ; 放大电路 ; 噪声模型 ; 频率特性 中图分类号 : TN710. 2 　　　 文献标识码 : A0　 引　 言在光电检测电路中 ,光电转换元件一般采用光电二极管 ,通过对光电二极管微弱光电流的检测 ,来获取 光信息或其它信息 (如位移 、 张力 、 压力 、 温度等 ) ,其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来 ,实现光 信号到电信号的转换 。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的 ,转换后的电信号也非常微小 ,由于背景噪 声、 电路噪声 、 元器件噪声的影响 ,要做到精确测量有较大难度 。因此 ,光电检测放大电路中抗干扰功能的设 [ 1, 2 ] 计非常重要 ,它是提高信号检测灵敏度和精度的关键 。另一方面 , 作为前置放大器必须有信号频率范围 所需的带宽 、 高稳定性和小增益误差 ,以保证输出信号有高的信噪比 。本文设计了实用电路 ,并分析了噪声 特性和系统稳定性 。1　 基本电路　　光电二极管的光探测方式有两种结构 :一是光电导模式。 在这种模式下 , 需给光 电二极管加反向偏置电压 , 存在暗电流 Id , 由此会产生较大的噪声电流 , 有非线性 , 通 常应用在高速场合 ; 二是光电压模式 , 在这种模式下 , 光电二极管处于零偏状态 , 不 存在暗电流 Id , 有较低的噪声 , 线性好 , 适合于比较精确的测量 。 比较后采用光电压模 式 , 具体光电检测电路如图 1所示。 由图 1可知 , 这是一个电流 ―电压转换放大器 , 它 把二极管探测到的光电流 Is 通过反馈电阻转换成输出电压 V o 。 图 1 　光电检测电路 分析实际电路时 , 必须考虑到电路中光电二极管的结电容、 元件的杂散电容及 [3 ] 电路的主要噪声源等因素的影响 , 图 2给出了光电检测电路的噪声模型 。 图中 Cd 表示二极管的结电容和放大 器反相输入端的复合电容 , 其值约十几到几百 pF, 二极管的结电容占主导地位 。 R d 表示二极管的结电阻和放大 Ω。 器反相 输 入 端 的 复 合 电 阻 , 其 值 可 超 过 100 M Id 为 二 极 管 内 阻 产 生 的 噪 声 电 流 , 其 值 为 Id =4 kT ( fH - fL ) /R d 。 Cf 代表反馈电阻 R f 的杂散电容 , 其值一般在 1pF以内 。 En 、 In 分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流 , 其中 En = enw收稿日期 : 2005 - 05 - 11 基金项目 : 浙江省自然科学基金 ( Y104615)fce In ( fH / fL ) + fH - fL , In = inwfci In ( fH / fL ) + fH - fL ,作者简介 : 霍戌文 ( 1969 - 　) ,男 ,山西忻州人 ,大学本科 ,助理实验师 ,主要从事计算机技术应用的研究 。260　　　　　　　　　　　　　　 浙　 江　 理　 工　 大　 学　 学　 报2005 年 　 第 22 卷enw 、 inw 分别为放大器的等效输入噪声电压密度和等效输入噪声电流密度 , fce 、fci 分别为放大器的转角频率。 Irf表示反馈电阻 R f 产生的噪声电流 , 其值为 Irf = 4 kT ( fH - fL ) /R f 。fH 、fL 由放大器频率特性决定 。 由图 2可得反 πfCd ) , Z2 = R f ∥ j2 πfCf 。 馈因子 β = Z1 ( Z1 + Z2 ) , 其中 , Z1 = R d ∥ ( 1 / j2 展开后可得 1 R 1 + jf / fz ( 1) 　　　　　　　 = 1 + f β R d 1 + jf / fp 式 ( 1 ) 中 , fp =1 1 ; f = , f 为信号频率。 πR f Cf z π ( R d ∥ R f ) ( Cd + Cf ) 2 2β → 1 /β β 当 f ν fz 时 , 函数 1 / 0 = 1 + R f /R 当 f ? fp 时 , 1 / ∞ = 1 + Cd /Cf , 两个转折点为 fz 、fp 。 设放大器的单位增益频率为 ft , 则交叉频率 fx = β ∞ ft , 可得噪声电压增益 A n = eno / eni 为 β) / ( 1 + jf / fx ) ( 2) 　　　　　　　A n = ( 1 / 将 ( 1 ) 式代入 ( 2 ) 式后得 　　　　　　　A n = 1 +Rf Rd图 2 　光电检测电路噪声模型1 + jf / fz ( 1 + jf / fp ) ( 1 + jf / fx )( 3)由于 Cd & & Cf 、 R d & & R f , 因此 , fp & & 由 ( 3 ) 式可见噪声电压增益曲线有一个明显的峰值 , 这使基 本光电二极管放大器特性变差 。 设放大器 A → ∞、 交叉频率 fx = β ∞ ft , 则信号增益 A s = V o / Is 为 : 　　　　　　　A s =Rf ( 1 + jf / fp ) ( 1 + jf / fx ) ( 4)由图 2 可知 , In 、 Id 和 Irf 的噪声增益与信号增益 A s 一致 。 根据以上分析可知 , 要降低光电检测电路的噪声 , 首先 , 由于噪声的大小与带宽成正比 , 要严格限制噪声 增益带宽 , 在满足信号增益带宽的前提下 , 使带宽为最小值 ; 第二是要设法补偿由于 Cd 的存在而产生的极点 所引起的相位滞后 , 以抑制噪声增益曲线的峰值 ; 然后要选择具有低噪声 enw 和 inw 及低转角频率 fce 和 fci 的运 算放大器 。2 　改进电路设计改进后的光电检测电路如图 3 所示 。 电路在放大器的输出和检测电路的 输出之间加一个 RC 滤波电路 , 这样就限制了放大器输出信号的带宽 , 滤掉经 过放大的噪声和放大器本身的噪声 。 电容 Cf1 用来补偿 RC 滤波环节引起的相 角滞后 。 电容 Cf2 用来补偿放大器输入端的复合电容 Cd 引起的相位滞后 , 控制 噪声增益峰值 。 设改进后光电检测电路中光电二极管和放大器的噪声模型同图 2, 根据 图 3 可得反馈因子为 : Z1 [ Z f ( 1 + ω j RC ) + Z cf1 ] β= 　　　　　　　Z cf1 Z f + Z1 Z f + Z cf1 Z1图 3 　改进光电检测电路( 5)其中 , Z1 = R d ∥ ( 1 / ω j Cd ) , Z f = R f ∥ ω j Cf2 , Z cf1 = 1 / ω j Cf1 。 把它们代入 ( 5 ) 式 , 展开后可得 : j ( R d ∥ R f ) ( Cf1 + Cd + Cf2 ) ] 1 R [1 + ω 　　　　　　　 = 1 + f 2 β 1 +ω j R f ( Cf1 + Cf2 ) - ω R f RCf1 C Rd ω0 = 令 　　　　　　 代入 ( 5 ) 式得 : 　　　　　　　1 1 += Rf Rd( 6) ( 7)1R f RCf1 C,Q =( R /R f ) Cf1 C Cd , HOB P = 1 + Cf1 + Cf2 Cf1 + Cf2βω0 ) 1 - (ω /2ω0 ) /Q + (ω j /+ω0 ) /Q HOB P ×( ω j / ω0 ) 2 + ( ω ω0 ) /Q 1 - (ω / j /( 8)第 3期霍戌文等 : 光电探测微信号放大器设计261式中 ,ω为信号角频率 ,ω0 为截止角频率 , Q 为品质因素 , HOB P 为 ω =ω0 时的谐振增益 。 由于在电路中增加了 π ω 滤波电路 , 减小了增益带宽 , 如果放大器有足够的带宽 , 又 f = 2 , 故噪声电压增益可表示为 : 1 + R f /R d HOB P ×( jf / f0 ) /Q ( 9) 　　　　　　　A n = + 2 2 1 - ( f / f0 ) + ( jf / f0 ) /Q 1 - ( f / f0 ) + ( jf / f0 ) /Q 由 ( 9 ) 式可知 , 噪声增益特性由截止频率 f0 、 品质因素 Q 和谐振增益 HOB P 3个因素决定 , f0 确定为信号频 率所需的最小带宽 , 以减小电路噪声 。 为了使噪声响应曲线不要出现峰值 , Q值应取 0. 707左右 。 HOB P 为 f = f0 时的谐振峰值 , 应尽可能小 。 信号增益为 : 　　　　　　　A s =Rf1 - ( f / f0 )2+ ( jf / f0 ) /Q( 10 )同样 , In 、 Id 和 Irf 的噪声增益与信号增益 A s 一致 。 总的噪声电流 : 　　　　　　　 In i =Irf + In + Id =2 2 2Δf 4 kTRf+ In +2Δf 4 kTRd( 11 )由 ( 11 ) 式知 , 总的噪声电流随 R f 而下降 。 根据 ( 10 ) 式 , 信号增益特性由反馈电阻 R f 、 截止频率 f0 和品质 因素 Q 3 个因素决定 , 后两个因素选定同 ( 9 ) 式 , R f 增加时 , 信号输出和噪声电流输出都会增加 , 但信号电压 随 R f 先行增加 , 所以 , 大的反馈电阻能改善信噪比 , 其值应根据输入 / 输出信号范围的比值来定 。3 　电路参数设计下面来讨论电路参数的设计 。 根据以上分析 , 在电路参数设计时 , 应考虑信号的增益带宽 、 噪声特性及频 率补偿问题 。 令 Cf = Cf1 = Cf2 , RC = R f Cf1 , ( 7 ) 式可化简为 :Cd 1 1 RC ( 12 ) = ,Q = = 0. 5, HOB P = 1 + π π 2 RC 2 R f Cf 4R f Cf 2 Cf 由 ( 12 ) 式可见 , 根据以上关系计算参数 , Q = 0. 5, 在 f0 小于 150kH z时 , 一般 Cf 和 Cd 值比较接近 , 因此 , 电路 具有很好的响应特性和噪声特性 。 具体设计步骤为 :　　　　　　　f0 =a ) 根据检测信号的特点 , 选择光电二极管 、 放大器 , 器件噪声要低 ; b ) 根据光电流的大小确定 R f 值 ; c ) 由信号频率带宽确定 f0 ; d ) 根据 ( 12 ) 式计算 C e ) 由 ( 12 ) 式确定相对于 R f 很小的 R 值 。根据 ( 12 ) 式计算的参数值来分析电路的稳定性 。 一般 R d ? R f , 则由 ( 6 ) 式 1 1 可知 , 1 /β有一个零点 、 两个重极点 fz = f = , 图 4为 πR f ( Cd + 2Cf ) p πR f Cf 2 2 β的零极点分布图 , 图中令 fp 恰好在 | A | 曲线上 , 这时系统是稳定的 ,Φm = 1/ 90 ° , 如果设定参数后 , fp 在 | A | 的左面 , 则系统一定稳定 , 如果 fp 进入的右面 , 则系统逐渐到振荡边缘 , 因此 , 电路参数设计完成后 , 要按图 4 进行稳定性检 验 , 不满足要求时 , 要进行参数调整 , 最后 , 是实际电路制作 , 由于电路很多分布 参数的不确定性 , 实验时对计算所得的参数进行微调 , 以获得理想的效果 。图 4 　1 /β的零极点分布图4 　结 　语本文针对光电检测的微弱信号设计了前置放大电路 , 电路简单稳定 , 参数设计方便 , 具有较好电压 、 电流 滤波效果 , 可满足各种光电检测的要求 。 参考文献 :[ 1 ]刘正岐 ,付文羽 . 影响光电检测电路信噪比的因素 [ J ]. 延安大学学报 (自然科学版 ) , 2003, 22 ( 4 ) : 41 - 43.262　　　　　　　　　　　　　　 浙　 江　 理　 工　 大　 学　 学　 报2005 年 　 第 22 卷[ 2 ]刘 　 彬 ,张秋婵 . 光电检测前置放大电路的设计 [ J ]. 燕山大学学报 , 2003, 27 ( 3 ) 193 - 196. [ 3 ]刘树棠 ,朱茂林 ,荣 　 玫 [译 ]. 基于运算放大器和模拟集成电路的设计 [M ]. 西安 : 西安交通大学出版社 ,
- 301.D e sign of Amp lifie r C ircuit of Pho toe lec tric D e tec tio n fo r W eak S igna lHUO X u 2 w en, L I W ei, L I J in, CHEN Ke( College of Informatics and Electronics, Zhejiang Sci2Tech University, Hangzhou 310018, China ) Ab s tra c t: In view of the p roblem of signal2to 2noise and stability of circuit of photoelectric detection for weak signal, a low 2noise amp lifier circuit of photoelectric detection is designed, w ith the functions of filter and phase compensation. The characteristics of frequency and noise are analyzed, and it is p resented how the circuit parame2 ters are selected and the stability is checked up. Ke y wo rd s: Pho Signal2to 2 A N Frequency characteristic (责任编辑 : 陈和榜 )　( 上接第 258 页 )Schem a S tudy on a Type of I m p roved Gene tic A lgo rithm w ith Spec ia l Individua lsR EN Hong 2 m in , B I W ei2hong1 2( 1. Infor m ation Engineering Depart m ent, Hangzhou Radio &TV University, Hangzhou 310012, C 2. M athem atics Departm ent , Zhejiang University , Hangzhou 310028, China ) Ab s tra c t: Schema study on im p roved genetic algorithm w ith two special individuals added or held in each gen2 eration is given. It show s that the mathematical expectation of schema amounts about the i m p roved genetic algorithm is greater than the one about standard genetic algorithm. The increment decreases as amount of population increases , and increases as length of individual increases . Schema theorem is set up for the imp roved genetic algorithm. Ke y wo rd s: G S Schema theorem (责任编辑 : 马春晓 )
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